Явлението поляризация на светлината е оптично явление, което се използва в технологиите, но не се среща в ежедневието. Поляризираната светлина буквално ни заобикаля, но поляризацията е практически недостъпна за човешкото око. Страдаме от „поляризираща слепота“.

В книгата си „Трактат за светлината“ Кристиан Хюйгенс описва удивително явление, което открива при експерименти с прозрачни кристали от исландски шпат: ако прекарате светлина през кристал от шпат, след второто преминаване на светлина през същия кристал, при определена ориентация на светлинния лъч и кристала, лъчът почти напълно изчезва. От това можем да заключим, че в резултат на действието на първия кристал върху светлината, светлинната вълна, която излиза от него, се оказва различна от това, което е била преди. Впоследствие френският учен Е. Малус нарече това явление поляризация на светлината.

В електромагнитната теория на светлината поляризацията на светлинните вълни се обяснява по следния начин.

Естествената светлина, независимо дали е създадена от слънцето или от конвенционални източници като лампи, е колекция от вълни, излъчвани от огромен брой атоми. В такава светлина векторът E осцилира във всички посоки, перпендикулярни на посоката на разпространение на светлината (фиг. 22.1). Ако лъч естествена светлина премине през, например, кристал от турмалин, светлината ще бъде поляризирана. Това се дължи на факта, че някои кристали (особено турмалин) имат свойството да предават светлинни вълни само в една равнина, съвпадаща с оста на симетрия на кристала Аи при преминаване през кристала ще се пропусне само тази част от падащата естествена светлина, в която векторът на интензитета Е е ориентиран успоредно на оста на кристала.

Процесът на ориентиране на трептенията на вектора E на светлинна вълна в определена посока се наричаполяризация .

Поляризирана вълна Това се нарича напречна вълна, при която всички частици осцилират в една и съща равнина.

Равнината, минаваща през електрическия вектор E и посоката на разпространение на електромагнитната вълна е равнина на поляризация (равнина на трептене).

д Ако поставите втори кристал зад първия кристал, тогава поляризираната светлина вече достига до него (фиг. 22.2). Ако осите на двата кристала са успоредни, нищо интересно няма да се случи. Ако вторият кристал се завърти, оставяйки първия неподвижен, тогава с увеличаване на ъгъла между техните оси интензитетът на пропуснатата светлина постепенно ще намалява и при взаимно перпендикулярното разположение на осите ще стане нула. В този случай светлинната вълна, падаща върху втория кристал, няма да съдържа трептения на вектора E, успореден на кристалната ос, и следователно този кристал няма да предава светлина, след като я е абсорбирал напълно.

П Поляризирана вълна може да се получи с помощта на гумен шнур, ако на пътя й се постави преграда с тънък процеп. Прорезът ще пропуска само тези вибрации, които възникват по него (фиг. 22.3). Плоско поляризирана вълна се излъчва от отделен атом.

Устройство, което изолира вибрациите, възникващи в една равнина и прави възможно получаването на поляризирана светлина от естествена светлина, се наричаполяризатор .

Извиква се устройство, което ви позволява да определите равнината на поляризация (втори процеп).анализатор

Ако върху анализатора падне поляризиран лъч, чиято равнина на поляризация сключва ъгъл α с равнината на поляризация на анализатора, тогава се определя интензитетът на лъча, преминаващ през анализатора Законът на Малус (фиг. 22.4):

I = I 0 cos 2 α (22.1)

Ако α =π/2, тогава ще има пълно затъмнение на зрителното поле.

					F Tran
					A BB YY

F Tran

A B BYY

високи вибрации, които възникват само в една конкретна равнина;

посоката на трептене се задава от поляризатор. Минералът се изследва в пропусната поляризирана светлина, която на външен вид не се различава от обикновената светлина, т.е. без допълнителни устройства не можем да определим с каква светлина имаме работа - проста или поляризирана. За да се възползвате напълно от поляризираната светлина, трябва да използвате друг поляризатор, наречен анализатор. Той се намира в горната част на тръбата, точно пред окулярите. Анализаторът може да бъде премахнат и след това изследваме минерала на светлина по същия начин, както при обикновена светлина. При включване на анализатора (николите са кръстосани) се наблюдават специфични закономерности в зависимост от структурата на минерала и неговите оптични свойства.

За да можете да използвате поляризиран микроскоп, са необходими специални познания по кристална оптика, тъй като с помощта на такъв микроскоп изследователят може да разкаже много за структурата на минерал въз основа на оптични свойства и явления, наблюдавани само в такъв микроскоп. Без да навлизаме в теоретичните познания за кристалната оптика, ще разгледаме някои практически последствия, които могат да се наблюдават при работа с поляризационен микроскоп.

ЗА МЕТОДИ ЗА ПТИЦИ ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕ НА МИНЕРАЛИ

Най-важните оптични свойства за идентифициране на минерали са оптичният клас и индексът на пречупване.

Оптичният метод на изследване използва поляризационен микроскоп. От изследваните зърна е необходимо да се приготви препарат. Изследваните зърна трябва да са малки (ако е необходимо, големите зърна се натрошават) - размер 0,1–0,2 mm. Те трябва да бъдат разположени (потопени) в капка течност върху предметно стъкло, покрито с покривно стъкло. Понякога минералите се изследват в тънки срезове (тънки пластини с дебелина 0,03 mm). Плаките се залепват върху предметно стъкло със специално изотропно вещество, смола, канадски балсам и се покриват с покривно стъкло. Но това е повече за изследването на минерали във връзка със скали.

Първата задача при идентифицирането на даден минерал е да се установи към какъв минерален вид принадлежи: дали е корунд, циркон, оливин или фелдшпат. Първото предположение за естеството на даден минерал често може да се направи въз основа на неговия цвят, блясък и общ вид, но можете да сте сигурни в правилността на определянето само в резултат на измерване на едно или друго негово оптично или физическо константи.

Преди да се определят оптичните свойства на даден минерал, той се наблюдава под микроскоп. физични свойствасвързани със структурата и симетрията - това е формата на зърната или техните фрагменти, разцепване, счупване, включвания. Наличието или отсъствието на разцепване обикновено се разкрива, когато минералът се натроши на малки фрагменти; така че минерал с добро разцепване образува фрагменти от пре-

					F Tran
					A BB YY

F Tran

A B BYY

собственост с прави ръбове (например амфиболи, пироксени, поле

лонжерони и тригонални карбонати). В някои случаи посоките или ъглите на разцепване могат да се определят под микроскоп.

Изследване на прозрачността

Минералите са прозрачни, полупрозрачни и непрозрачни. Минералите, които изграждат скалите (силикати, алумосиликати, по-рядко карбонати и фосфати), са прозрачни - това са оливин, пироксен, амфибол, кварц, фелдшпати, калцит, апатит и др. Минералите, които са полупрозрачни, се наричат ​​полупрозрачни в тънки чипове, например , хром шпинели или хематит . Непрозрачните минерали са тези, които не са полупрозрачни дори в тънки чипове, например пирит, халкопирит, магнетит, илменит и др.

Изучаване на формата на зърната

За много минерали формата на зърната и наличието на разцепване са лесно забележими диагностични характеристики, така че идентифицирането на минерала трябва да започне с тяхното изследване. Анизотропните минерали, в зависимост от вида на кристалната решетка, могат да имат таблична, призматична, плоча, листова, люспеста, игловидна и други форми

Проучване на включванията

Включванията и техният характер дават представа за условията на кристализация на минерала, който носят, от който се различават по размер, форма, релеф и цвят. Включванията могат да бъдат представени от заоблени мехурчета, тънки игловидни кристали и неправилни образувания (по време на заместване). Мехурчетата са пълни с газ, течност, понякога и двете заедно, а дори и с участието на твърдата фаза - миниатюрни кристалчета от някои минерали. Точната диагностика на включванията изисква специална техника. Затова при изследване под микроскоп те се ограничават до описание на тяхната форма и размер, ориентация спрямо лицата или цепителността, количество, равномерност на разпределение в минерала и определяне до първо приближение.

Определяне на оптичен клас

Анизотропните вещества могат лесно да се разграничат от изотропните, ако препаратът с изследваните зърна се наблюдава под поляризационен микроскоп с оптична леща. дневен анализатор.

1. Течност и зърнаизотропно веществоще изглежда тъмен и ще остане такъв, без значение как се върти предметното поле на микроскопа.

2. На повечето зърнаанизотропно веществоЩе се наблюдават интерференционни цветове и зърната ще потъмнеят четири пъти на интервали от 90º, когато предметът на микроскопа се завърти напълно.

3. За да се определи дали един анизотропен минерал еизползва се едноосно (минерал от средната система) или двуосно (минерал от долната система) -

					F Tran
					A BB YY

F Tran

A B BYY

използвайте наблюдение при конвергентна светлина. За целта се използва обектив Bertra.

на, което кара светлината да се събира. Преди определяне на аксиалността, най-матовото сиво зърно се намира сред масата на зърната, дори когато е на 45º от позицията на максимално изчезване. При включване на лещата на Бертран се получава една от характерните интерферентни фигури (черен кръст за едноосни минерали или едно разклонение на хипербола, което не изчезва при завъртане на масата на микроскопа за двуосни минерали). Можете веднага да определите оптическия знак на минерала (положителен или отрицателен), ако използвате допълнителни устройства - кварцова пластина или кварцов клин.

Определяне на индекса на пречупване

Отклонението на посоката на светлинен лъч при навлизане в друга среда се нарича пречупване на светлината. Коефициентът на пречупване може да се определи като скоростта на светлината във въздуха, разделена на скоростта на светлината в средата. Скоростта на светлината във въздуха е 300 000 км/сек. Светлината от Слънцето и звездите идва към нас със същата огромна скорост. При кварца (планински кристал, аметист) скоростта на светлината намалява до 194 000 км/сек, а при диаманта до 124 000 км/сек. Така диамантът има коефициент на пречупване 300 000: 124 000 = 2,42, т.е. най-високият в сравнение с коефициента на пречупване на всички скъпоценни камъни, използвани в бижутата, което причинява искрящия диамантен блясък на камъка.

Измерването на стойностите на индекса на пречупване е важен метод за идентифициране на минерали. Всеки минерал има специфичен индекс или индекси на пречупване.

Изотропните минерали се характеризират само с един показател на пречупване, докато анизотропните минерали се характеризират с две или три крайни стойности. Светлината, преминаваща през изотропно вещество (например вода, стъкло или изотропен минерал - гранат, шпинел, флуорит), се движи с еднаква скорост във всички посоки - за такива вещества има само един коефициент на пречупване.

Спомняте си също, че светлинен лъч, преминавайки през калцит (или други анизотропни вещества), се разделя на два лъча, чиито вибрации са взаимно перпендикулярни. Единият от лъчите се нарича обикновен, а другият необикновен. Един от лъчите ще има максимален индекс на пречупване за даден минерал, а вторият, перпендикулярен на първия, ще има минимален. За минерали от по-ниски кристални системи има и трети показател на пречупване n m, който е междинен. Колкото по-голяма е разликата между стойностите на минималния и максималния индекс на пречупване, толкова по-голямо е двойното пречупване на минерала. Двойното пречупване, за разлика от индекса на пречупване, е много по-трудно да се определи под микроскоп, тъй като този параметър зависи от дебелината на зърното. Двойното пречупване се определя на тънки срезове и на рефрактометър.

Преди да се направят точни измервания на коефициента на пречупване, е необходимо да се намери ориентиран участък от минерала (обикновено той трябва да лежи върху стъклото успоредно на оста на симетрия), в който да се определят точно два коефициента на пречупване - единият по оста , а вторият перпендикуляр.

F Tran

П

A B ПО Y

но на нея. Въпреки че често е достатъчно да се определи като цяло стойността на индекса на пречупване, за да се оцени като висок, среден или нисък.

Коефициентът на пречупване на камъните за бижута (особено в обстановка) се определя с помощта на рефрактометър. Разхлабените камъни за бижута (особено ако нямат гладки ръбове) се определят с помощта на течности за потапяне. Използвайки този метод, зърното се потапя в капка течност с известен индекс на пречупване и се покрива с покривно стъкло. Наблюденията на повърхността на минерала и неговите контакти с течността ще покажат колко се различават един от друг показателите на пречупване на тези два компонента (минерал и течност). Колкото по-малка е разликата в индексите на пречупване, толкова по-фини са границите на зърната и по-гладка е повърхността им. Информация за това дали коефициентът на пречупване на даден минерал е по-голям или по-малък от този на течност ще бъде осигурена от оптичен ефект, наречен лента на Беке. Това е светла ивица при контакта между минерал и течност, която се получава поради разликата в показателите на пречупване на двете среди.

По посоката на движение на лентата на Беке може да се прецени дали индексът на пречупване на минерала е по-висок или по-нисък от индекса на пречупване на течността. За да направите това, трябва да засенчите изображението, като леко затворите блендата, направите голямо увеличение и внимателно спуснете или повдигнете етапа на микроскопа. Ако лентата на Беке се движи към минерала, когато масата е спусната, тогава нейният индекс на пречупване е по-висок от този на течността; ако се отдалечава от минерала, тогава обратното.

Изследване на минерален цвят и плеохроизъм

Това е важно свойство, което имат цветните минерали. По-голямата част от минералите с плеохроизъм не го показват макроскопски, тъй като това изисква специални условия на наблюдение (чрез предаване), а много идеално плеохроични минерали не се показват поради тъмния им цвят в големи зърна (например биотит и рогова обманка). За да наблюдавате плеохроизма, достатъчно е да завъртите предмета на микроскопа и да наблюдавате промяната на цвета на минерала (без анализатор).

Въпреки факта, че минералът може да бъде оцветен по различен начин в различните скали, той има по-често срещан цвят от други, който е основният. Цветът на минерала поради вътрешните му свойства се нарича идиохроматичен, а този в зависимост от примесите се нарича алохроматичен. Когато преминава през всяко вещество, интензитетът на светлината винаги намалява, тъй като светлината се абсорбира частично от това вещество. Ако всички дължини на вълните на бялата светлина се абсорбират (абсорбират) равномерно, веществото ще изглежда безцветно. Ако някои дължини на вълните се абсорбират по-интензивно,

това вещество ще изглежда оцветено. Оптично изотропните вещества имат еднаква абсорбция, така че цветът им няма да се промени, когато предметът на микроскопа се завърти. Най-често обаче имаме работа с оптично анизотропни среди със селективно поглъщане. такива и т-

*Цветът е резултат от сбора на всички дължини на вълната на светлината, преминаваща през дадено вещество;

Двойно пречупване съществува в естествено анизотропни тела. Съществуват обаче различни методи за изкуствена оптична анизотропия - придаване на оптична анизотропия на естествено изотропни вещества.

5.1. Фотоеластичност

Тялото под въздействието на механична деформация става оптически анизотропно. Например, когато е подложена на едностранно компресиране или разтягане, плоча от прозрачен материал придобива свойствата на едноосен кристал, чиято оптична ос съвпада с посоката на компресия или разтягане. Разликата в показателите на пречупване на обикновените и необичайните лъчи в посока, перпендикулярна на оптичната ос, е пропорционална на нормалното напрежение σ

(8)

където χ 1 е коефициент, зависещ от свойствата на веществото; к - ред на интерферентната ивица; - напрежение.

5.2. Клетка на Кер

Появата на двойно пречупване в газове, течности и аморфни тела (диелектрици) под въздействието на силно еднородно електрическо поле се нарича Ефект на Кер. Това явление е открито за първи път от шотландския физик Д. Кер през 1875 г.

На път л(дължина на кондензаторната плоча) възниква оптична разлика в пътя между обикновените и извънредните лъчи

където  2 – коефициент на пропорционалност; IN– константа на Кер, в зависимост от естеството на веществото, нейната температура и дължина на вълната на светлината във вакуум.

Ефектът на Кер се обяснява с различната поляризуемост на молекулите на дадено вещество в различни посоки. Това явление е практически безинерционно, т.е. Преходът на веществото от изотропно състояние в анизотропно състояние, когато полето е включено, става за приблизително 10 -10 s. Следователно клетката на Кер служи като идеален светлинен затвор и се използва при бързи процеси (при високоскоростна фотография и филмиране и др.)

5.3. Въртене на равнината на поляризация

някои оптически активни веществаимат способността да въртят равнината на поляризация на равнинната поляризирана светлина, преминаваща през тях. Те включват твърди вещества (кварц, захар, цинобър), чисти течности (терпентин, никотин, винена киселина) и разтвори на оптически активни вещества (захар, алкохол и др.).

Въртенето на равнината на поляризация може да се наблюдава в следния експеримент. Ако между кръстосания поляризатор и анализатора се постави оптично активно вещество, зрителното поле на анализатора се осветява. Чрез завъртане на анализатора под ъгъл φ може отново да се получи тъмно зрително поле. В разтворите ъгълът на въртене на равнината на поляризация е пропорционален на пътя на светлината в разтвора ли концентрация на активното вещество СЪС:

, (10)

където [φ 0 ] е специфичното въртене.

Оптично активните вещества, в зависимост от посоката на въртене на равнината на поляризация, се разделят на дясновъртящ и лявовъртящ.

Феноменът на въртене на равнината на поляризация в разтворите е основата за сертифициране на продуктите. Това явление се използва например за точно определяне на концентрацията на разтвори на оптично активни вещества ( поляриметрия).

Оптически неактивните вещества придобиват способността да въртят равнината на поляризация под въздействието на магнитно поле. Това явление е открито от М. Фарадей и е кръстено ефект на Фарадей. Този ефект е от голямо значение за науката, тъй като разкрива връзка между оптичните и електромагнитните процеси.

Много хора смятат поляризацията на светлината за феноменално явление, което се използва широко и се използва в технологиите и почти никога не се среща в ежедневието. Всъщност такова твърдение не е съвсем правилно, което беше доказано в статия на холандския физик Г. Кенен.

Обща концепция

СЪС научна точкаПо отношение на зрението светлинната поляризация е ориентацията в пространството на светлинни вибрации, които са перпендикулярни на посоката на движение на вълната. Светлинният лъч се състои от много прости елементи, наречени кванти. Посоката на техните трептения може да бъде много разнообразна. В случай, че квантите имат еднаква ориентация, светлинният поток се нарича поляризиран. В зависимост от съотношението на такива частици в дадено лъчение се променя степента на поляризация.

Филтри

Има редица филтри, които могат да пропускат само лъчи с определена ориентация. Ако погледнете през тях към поляризирания светлинен поток и едновременно с това ги завъртите, яркостта ще се промени. В случай, че поляризацията на светлината съвпада с посоката на пропускане, тя ще стане максимална, а когато има пълно разминаване, тя ще бъде минимална. Можете да закупите такива филтри в обикновени магазини, специализирани в продажбата на фотографско оборудване. Когато гледате през тях на ясно небе, при условие че Слънцето е отстрани, в определен момент по време на въртене ще се види ивица с черен цвят. Това е доказателство, че светлинните вълни, излъчвани от тази част на небето, са поляризирани.

Фигура Хайдингер

По едно време известният физик от СССР С. И. Вавилов проведе изследване, въз основа на резултатите от което изложи интересна теория. Според него поляризацията на светлината е видима без никакви помощни устройства за приблизително всеки четвърти човек на планетата. Повечето от тези хора обаче дори не осъзнават наличието на такава характеристика в собственото си зрение. Когато гледат същото синьо небе, в центъра на зрителното им поле се появява едва забележима жълта ивица с леко заоблени краища. В средата и по краищата има и бледосинкави петна. Когато поляризационната равнина се върти, ивицата също се върти, тъй като винаги е перпендикулярна на посоката на светлинните вибрации. В науката това явление е известно като фигурата на Хайдингер. Носи името на немския физик, който го открива през 1845 г. Ако го забележите поне веднъж, способността да видите това петънце може да се развие. Трябва да се отбележи, че когато се използва син или зелен филтър, фигурата на Хайдингер се вижда доста ясно.

Примери за поляризация на светлината и как да я премахнете

Поляризацията на светлината от ясно небе е само най-простият и най-широко използван пример за това явление. Други доста често срещани случаи включват отблясъци, които лежат върху стъклени витрини и повърхността на водата. Ако е необходимо, те могат да бъдат елиминирани с помощта на специални филтри Polaroid, които най-често се използват от фотографите. Те стават незаменими, ако трябва да заснемете на снимка картини или музейни експонати, защитени със стъкло. Принципът на тяхното действие се основава на факта, че всяка отразена светлина, в зависимост от ъгъла на падане, има една или друга степен на поляризация. По този начин, когато гледате отблясък, можете лесно да изберете ъгъла на филтъра, при който той да бъде потиснат, докато изчезне напълно. Производителите на висококачествени слънчеви очила се придържат към подобен принцип. Благодарение на използването на полароидни филтри в тяхното стъкло е възможно да се премахнат смущаващите отблясъци, излъчвани от повърхността на мокра магистрала или морска повърхност.

Закон на Умов

Всяка разсеяна светлина от небето представлява слънчеви лъчи, които са претърпели многобройни отражения от въздушни молекули и също така са се счупили повече от веднъж в ледени кристали или капки вода. В същото време процесът на поляризация е характерен не само за насочено отражение (например от вода), но и за дифузно отражение. През 1905 г. е доказано, че колкото по-тъмна е повърхността, от която се отразява светлинна вълна, толкова по-голяма е степента на поляризация. Това влезе в историята като закон на Умов, наречен на името на физика, който успя да докаже тази зависимост. Ако го разгледаме на елементарния пример с асфалтова магистрала, се оказва, че в мокро състояние тя е по-поляризирана, отколкото в сухо състояние.

Приложение в историята

Въпреки факта, че феноменът на поляризацията е открит за първи път през 1871 г., учените успяха да го обяснят подробно едва в средата на миналия век. Както и да е, има исторически доказателства, че е бил използван от викингските моряци за навигация преди повече от хиляда години. В повечето случаи основната отправна точка за тях беше слънцето. Но при облачно време използвали така наречения слънчев камък. Има всички основания да се смята, че това е вид прозрачен минерал, който има поляризиращи свойства. Отправна точка за това беше по-тъмна ивица, появяваща се в небето. За да докаже предположението на историците и ефективността на този вид навигация, преди време норвежки пилот прелетя с малък самолет от родната си страна до Гренландия, използвайки само кристал от кордиерит, минерал с характеристики, подобни на слънчев камък, като ръководство.

Поляризация и насекоми

Поляризацията на светлината е видима за много насекоми. Това важи особено за пчелите и мравките, които при облачно време, благодарение на тази функция, могат да се ориентират в района и лесно да се върнат в местообитанията си. Тази способност се постига благодарение на структурата на зрителната система. Докато в окото на хората и всеки друг бозайник светлочувствителните молекули са подредени произволно, при насекомите те са ориентирани в една посока и лежат в чисти редици.

Поляризация на някои оптични явления и небесни тела

Поляризационните ефекти са характерни и за такива интересни природни явления като ореоли (светещи дъги, които се появяват от време на време около слънцето или луната), дъги и някои видове полярни сияния. Това се дължи на факта, че във всички тези случаи отражението и пречупването на светлината се случват едновременно. С други думи, ако завъртите филтъра и погледнете през него дъгата, в определен момент тя ще стане почти невидима. Що се отнася до поляризацията на някои астрономически тела, най-яркият пример за това е мъглявината Рак, която се наблюдава в съзвездието Телец. Факт е, че светлинното лъчение, излъчвано от него, възниква по време на спирането на бързо летящи електрони от магнитно поле.

Кръгова поляризация

Някои от сортовете бръмбари, чийто гръб има метален блясък, могат да отразяват лъчите и да ги насочват в кръг. Това явление се нарича кръгова поляризация на светлината. Ако погледнете през филтър металното отражение от гърбовете на тези насекоми, ще видите, че то винаги е усукано наляво. До наше време учените не са успели да обяснят биологичния смисъл на това явление.

лекар технически наукиА. ГОЛУБЕВ.

Две напълно еднакви плочи от леко затъмнено стъкло или гъвкава пластмаса, когато са поставени заедно, са почти прозрачни. Но щом завъртите един от тях на 90 градуса, очите ви ще видят пълна чернота. Това може да изглежда като чудо: в крайна сметка всяка плоча е прозрачна при всяко завъртане. внимателен поглед обаче ще покаже, че при определени ъгли на завъртане отблясъците от вода, стъкло и полирани повърхности изчезват. Същото може да се види и при гледане на екрана на компютърен LCD монитор през плочата: когато се завърти, яркостта на екрана се променя и на определени позиции изгасва напълно. „Виновникът“ за всички тези (и много други) любопитни явления е поляризираната светлина. Поляризацията е свойство, което могат да имат електромагнитните вълни, включително видимата светлина. Поляризацията на светлината има много интересни приложения и си заслужава да бъде разгледана по-подробно.

Наука и живот // Илюстрации

Механичен модел на линейна поляризация на светлинна вълна. Пролуката в оградата позволява вибрации на въжето само във вертикална равнина.

В анизотропен кристал светлинният лъч се разделя на две, поляризирани във взаимно перпендикулярни (ортогонални) посоки.

Обикновените и необикновените лъчи са пространствено комбинирани, амплитудите на светлинните вълни са еднакви. Когато се добавят, се появява поляризирана вълна.

Значи светлината преминава през система от два поляроида: а – когато са успоредни; b - кръстосани; c - разположен под произволен ъгъл.

Две равни сили, приложени в точка А във взаимно перпендикулярни посоки, принуждават махалото да се движи по кръгова, праволинейна или елипсовидна траектория (правата линия е „изродена” елипса, а кръгът е нейният частен случай).

Наука и живот // Илюстрации

Физическа работилница. ориз. 1.

Физическа работилница. ориз. 2.

Физическа работилница. ориз. 3.

Физическа работилница. ориз. 4.

Физическа работилница. ориз. 5.

Физическа работилница. ориз. 6.

Физическа работилница. ориз. 7.

Физическа работилница. ориз. 8.

Физическа работилница. ориз. 9.

В природата има много колебателни процеси. Една от тях е хармоничните колебания на силата на електрическите и магнитните полета, образуващи променливо електромагнитно поле, което се разпространява в пространството под формата на електромагнитни вълни. Тези напречни вълни - векторите e и n на напрегнатостта на електрическото и магнитното поле са взаимно перпендикулярни и осцилират напречно на посоката на разпространение на вълната.

Електромагнитните вълни условно се разделят на диапазони според дължините на вълните, които формират спектъра. Най-голямата част от него е заета от радиовълни с дължина на вълната от 0,1 мм до стотици километри. Малка, но много важна част от спектъра е оптичният диапазон. Той е разделен на три области – видимата част на спектъра, заемаща интервала от приблизително 0,4 микрона (виолетова светлина) до 0,7 микрона (червена светлина), ултравиолетова (UV) и инфрачервена (IR), невидима за окото. Следователно поляризационните явления са достъпни за пряко наблюдение само във видимата област.

Ако трептенията на вектора на напрегнатост на електрическото поле e на светлинна вълна се въртят произволно в пространството, вълната се нарича неполяризирана, а светлината се нарича естествена. Ако тези трептения възникват само в една посока, вълната е линейно поляризирана. Неполяризираната вълна се преобразува в линейно поляризирана с помощта на поляризатори - устройства, които предават вибрации само в една посока.

Нека се опитаме да опишем този процес по-ясно. Нека си представим обикновена дървена ограда, в една от дъските на която е изрязан тесен вертикален прорез. Нека прекараме въже през тази пролука; Ще закрепим края му зад оградата и ще започнем да разклащаме въжето, карайки го да се люлее под различни ъгли спрямо вертикалата. Въпрос: как ще вибрира въжето зад пукнатината?

Отговорът е очевиден: зад пукнатината въжето ще започне да се люлее само във вертикална посока. Амплитудата на тези трептения зависи от посоката на преместванията, достигащи до процепа. Вертикалните вибрации ще преминат през пролуката напълно и ще дадат максимална амплитуда, хоризонталните вибрации изобщо няма да преминат през пролуката. А всички останали, „наклонени“, могат да бъдат разложени на хоризонтални и вертикални компоненти, като амплитудата ще зависи от големината на вертикалния компонент. Но във всеки случай зад празнината ще останат само вертикални вибрации! Тоест празнината в оградата е модел на поляризатор, който преобразува неполяризирани трептения (вълни) в линейно поляризирани.

Да се ​​върнем към светлината. Има няколко начина за получаване на линейно поляризирана светлина от естествена, неполяризирана светлина. Най-често се използват полимерни филми с дълги молекули, ориентирани в една посока (помнете оградата с празнина!), призми и плочи, които имат двойно пречупване или оптична анизотропия (разлики във физичните свойства в различни посоки).

Оптична анизотропия се наблюдава в много кристали - турмалин, исландски шпат, кварц. Самото явление на двойното пречупване е, че лъч светлина, падащ върху кристал, се разделя на две. В този случай индексът на пречупване на кристала за един от тези лъчи е постоянен при всеки ъгъл на падане на входния лъч, докато за другия зависи от ъгъла на падане (т.е. за него кристалът е анизотропен). Това обстоятелство толкова удивило откривателите, че първият лъч бил наречен обикновен, а вторият – необикновен. И е много важно, че тези лъчи са линейно поляризирани във взаимно перпендикулярни равнини.

Имайте предвид, че в такива кристали има една посока, в която не се получава двойно пречупване. Тази посока се нарича оптична ос на кристала, а самият кристал се нарича едноосов. Оптичната ос е точно посока, която върви по нея, има свойството на оптична ос. Известни са и двуосни кристали – слюда, гипс и др. При тях също се получава двойно пречупване, но и двата лъча се оказват необикновени. По-сложни явления се наблюдават в двуосни кристали, които няма да засягаме.

В някои едноосни кристали беше открито друго любопитно явление: обикновените и необикновените лъчи изпитват значително различно поглъщане (това явление се нарича дихроизъм). Така в турмалина обикновеният лъч се абсорбира почти напълно вече на път от около милиметър, а извънредният лъч преминава през целия кристал почти без загуба.

Двупречупващите кристали се използват за производство на линейно поляризирана светлина по два начина. Първият използва кристали, които нямат дихроизъм; Използват се за направата на призми, съставени от две триъгълни призми с еднаква или перпендикулярна ориентация на оптичните оси. При тях или единият лъч се отклонява настрани, така че от призмата излиза само един линейно поляризиран лъч, или излизат и двата лъча, но разделени под голям ъгъл. Вторият метод използва силно дихроични кристали, в които един от лъчите се абсорбира, или тънки филми- полароиди под формата на листове с голяма площ.

Нека вземем два поляроида, да ги сгънем и да погледнем през тях някакъв източник на естествена светлина. Ако осите на предаване на двата поляроида (т.е. посоките, в които поляризират светлината) съвпадат, окото ще види светлина с максимална яркост; ако са перпендикулярни, светлината ще бъде почти напълно изгасена.

Светлината от източника, преминала през първия поляроид, ще се окаже линейно поляризирана по своята ос на предаване и в първия случай ще премине свободно през втория поляроид, но във втория случай няма да премине (спомнете си примера с празнина в оградата). В първия случай казват, че поляроидите са успоредни, във втория случай казват, че поляроидите са кръстосани. В междинни случаи, когато ъгълът между осите на предаване на поляроида се различава от 0 или 90°, ние също ще получим междинни стойности на яркост.

Да продължим. Във всеки поляризатор входящата светлина се разделя на два пространствено разделени и линейно поляризирани лъча във взаимно перпендикулярни равнини - обикновен и необикновен. Какво ще стане, ако не разделите пространствено обикновените и необикновените лъчи и не угасите един от тях?

Фигурата показва схема, която реализира този случай. Светлина с определена дължина на вълната, преминала през поляризатор P и станала линейно поляризирана, пада под ъгъл от 90° върху плоча P, изрязана от едноосен кристал, успореден на неговата оптична ос ZZ.В плочата се разпространяват две вълни - обикновена и необичайна - в една и съща посока, но с различни скорости (тъй като показателите им на пречупване са различни). Необикновена вълна е поляризирана по оптичната ос на кристала, обикновена вълна е поляризирана в перпендикулярна посока. Да приемем, че ъгълът a между посоката на поляризация на светлината, падаща върху плочата (оста на предаване на поляризатора P) и оптичната ос на плочата е равен на 45 o и амплитудите на трептенията на обикновените и необичайни вълни оИ A eса равни. Това е случаят на събиране на две взаимно перпендикулярни трептения с равни амплитуди. Да видим какво ще се случи в резултат.

За по-голяма яснота нека се обърнем към механична аналогия. Има махало с прикрепена към него тръба, от която изтича тънка струйка мастило. Махалото се колебае в строго фиксирана посока, а мастилото начертава права линия върху лист хартия. Сега ще го бутнем (без да спираме) в посока, перпендикулярна на равнината на люлеене, така че амплитудата на неговите трептения в новата посока да стане същата като в първоначалната. Така имаме две ортогонални трептения с еднакви амплитуди. Какво рисува мастилото зависи от това коя точка на траекторията AOBимаше махало, когато го бутнахме.

Да предположим, че го бутнахме в момента, когато беше в крайна лява позиция, в точката А.Тогава върху махалото ще действат две сили: едната в посоката на първоначалното движение (към точка O), другата в перпендикулярна посока AC.Тъй като тези сили са еднакви (амплитудите на перпендикулярните трептения са равни), махалото ще се движи диагонално от н.е.Траекторията му ще бъде права линия, минаваща под ъгъл от 45° спрямо посоките на двете вибрации.

Ако натиснете махалото, когато е в крайна дясна позиция, в точка B, тогава от подобни разсъждения става ясно, че траекторията му също ще бъде права, но завъртяна на 90 градуса. Ако натиснете махалото в средната точка O, краят на махалото ще опише кръг и ако в даден момент произволна точка- елипса; Освен това формата му зависи от точната точка, в която е било избутано махалото. Следователно кръгът и правата линия са специални случаи на елиптично движение (правата линия е „изродена“ елипса).

Полученото трептене на махалото по права линия е модел на линейна поляризация. Ако траекторията му описва кръг, трептенето се нарича кръгово поляризирано или кръгово поляризирано. В зависимост от посоката на въртене, по или обратно на часовниковата стрелка, говорим съответно за дясна или лява кръгова поляризация. И накрая, ако махалото описва елипса, трептенето се нарича елиптично поляризирано и в този случай също се разграничава дясна или лява елиптична поляризация.

Примерът с махало дава ясна представа каква поляризация ще получи трептенето, когато се добавят две взаимно перпендикулярни линейно поляризирани трептения. Възниква въпросът: какъв е аналогът на задаването на второто (перпендикулярно) трептене в различни точки от траекторията на махалото за светлинни вълни?

Те са фазовата разлика φ на обикновените и извънредните вълни. Натиснете махалото в точка Асъответства на нулева фазова разлика в точката В -фазовата разлика е 180 o, в точка O - 90 o, ако махалото минава през тази точка отляво надясно (от A към B), или 270 o, ако отдясно наляво (от B към А).Следователно, когато се добавят светлинни вълни с ортогонални линейни поляризации и еднакви амплитуди, поляризацията на получената вълна зависи от фазовата разлика на добавените вълни.

Таблицата показва, че при фазова разлика от 0° и 180° елиптичната поляризация преминава в линейна, при разлика от 90° и 270° - в кръгова поляризация. в различни посокивъртене на резултантния вектор. А елиптична поляризация може да се получи чрез добавяне на две ортогонални линейно поляризирани вълни и с фазова разлика от 90 o или 270 o, ако тези вълни имат различни амплитуди. В допълнение, кръгово поляризирана светлина може да се получи изобщо без добавяне на две линейно поляризирани вълни, например с ефекта на Zeeman - разделянето на спектралните линии в магнитно поле. Неполяризирана светлина с честота v, преминала през магнитно поле, приложено в посоката на разпространение на светлината, се разделя на два компонента с лява и дясна кръгова поляризация и честоти, симетрични спрямо ν (ν - ∆ν) и (ν + ∆ν) .

Много често срещан начин за получаване различни видовеполяризация и тяхната трансформация - използването на така наречените фазови пластини, изработени от двупречупващ материал с показатели на пречупване неИ n e .Дебелина на плочата dизбран така, че на изхода му фазовата разлика между обикновените и извънредните компоненти на вълната да е равна на 90 или 180 o. Фазова разлика от 90° съответства на оптична разлика в пътя d(n o - n e),равна на λ/4, а фазовата разлика е 180 o - λ/2, където λ е дължината на вълната на светлината. Тези плочи се наричат ​​четвърт вълна и полувълна. Практически е невъзможно да се произведе плоча с дебелина една четвърт или половината от дължината на вълната, така че същият резултат се получава с по-дебели плочи, даващи разлика в пътя от (kλ + λ/4) и (kλ + λ/2), където к- някакво цяло число. Четвърт вълнова плоча преобразува линейно поляризирана светлина в елиптично поляризирана светлина; ако пластината е полувълнова, тогава нейният изход също произвежда линейно поляризирана светлина, но с посока на поляризация, перпендикулярна на входящата. Фазова разлика от 45 o ще даде кръгова поляризация.

Ако поставим двупречупваща пластина с произволна дебелина между успоредни или кръстосани полароиди и погледнем през тази система към бяла светлина, ще видим, че зрителното поле е станало оцветено. Ако дебелината на плочата не е еднаква, ще се появят различни цветни области, тъй като фазовата разлика зависи от дължината на вълната на светлината. Ако един от полароидите (независимо кой) се завърти на 90 градуса, цветовете ще се променят на допълващи се: червено към зелено, жълто към виолетово (общо дават бяла светлина).

Поляризираната светлина беше предложена да се използва за защита на водача от отблясъците на фаровете на насрещна кола. Ако върху предното стъкло и фаровете на автомобила, например вдясно от вертикалата, се приложат филмови поляроиди с ъгъл на предаване 45°, водачът ще види ясно пътя и насрещните автомобили, осветени от собствените си фарове. Но поляроидите на фаровете на насрещните коли ще бъдат кръстосани с поляроидите на предното стъкло на тази кола и фаровете на насрещните автомобили ще изгаснат.

Два кръстосани поляроида формират основата на много полезни устройства. Светлината не преминава през кръстосани поляроиди, но ако поставите оптичен елемент между тях, който върти равнината на поляризация, можете да отворите пътя на светлината. Ето как са проектирани високоскоростните електрооптични светлинни модулатори. Между кръстосаните поляроиди например се поставя двупречупващ кристал, към който се подава електрическо напрежение. В кристал, в резултат на взаимодействието на две ортогонални линейно поляризирани вълни, светлината става елиптично поляризирана с компонент в равнината на предаване на втория поляроид (линеен електрооптичен ефект или ефект на Покелс). Когато се приложи променливо напрежение, формата на елипсата и, следователно, големината на компонента, преминаващ през втория поляроид, периодично ще се променят. Така се осъществява модулацията - промяна на интензитета на светлината с честотата на приложеното напрежение, която може да бъде много висока - до 1 гигахерц (10 9 Hz). Резултатът е затвор, който прекъсва светлината милиард пъти в секунда. Използва се в много технически устройства - електронни далекомери, оптични комуникационни канали, лазерна техника.

Има така наречените фотохромни стъкла, които потъмняват при ярка слънчева светлина, но не са в състояние да предпазят очите при много бърза и ярка светкавица (например при електрическо заваряване) - процесът на потъмняване е сравнително бавен. Поляризираните очила, базирани на ефекта на Pockels, имат почти мигновена "реакция" (по-малко от 50 μs). Светлината от ярка светкавица се изпраща към миниатюрни фотодетектори (фотодиоди), които генерират електрически сигнал, под въздействието на който стъклата стават непрозрачни.

В стерео киното се използват поляризирани очила, които създават илюзията за триизмерност. Илюзията се основава на създаването на стерео двойка - две изображения, заснети от различни ъгли, съответстващи на зрителните ъгли на дясното и лявото око. Те се изследват така, че всяко око да вижда само предназначеното за него изображение. Изображението за лявото око се проектира върху екрана чрез Polaroid с вертикална трансмисионна ос, а за дясното око - с хоризонтална ос, като те са прецизно подравнени върху екрана. Зрителят гледа през полароидни очила, в които оста на левия поляроид е вертикална, а десният е хоризонтален; всяко око вижда само „собственото си“ изображение и се получава стерео ефект.

За стереоскопична телевизия се използва метод за бързо редуващо се затъмняване на стъклата на очилата, синхронизирано със смяната на изображенията на екрана. Поради инерцията на зрението се появява триизмерен образ.

Полароидите се използват широко за намаляване на отблясъците от стъклени и полирани повърхности и от вода (отразената от тях светлина е силно поляризирана). Светлината на екраните на LCD мониторите също е поляризирана.

Поляризационните методи се използват в минералогията, кристалографията, геологията, биологията, астрофизиката, метеорологията и при изучаването на атмосферните явления.

Литература

Жевандров Н. Д. Поляризация на светлината. - М.: Наука, 1969.

Жевандров Н. Д. Анизотропия и оптика. - М.: Наука, 1974.

Жевандров Н. Д. Приложение на поляризирана светлина. - М.: Наука, 1978.

Шерклиф У. Поляризирана светлина / Прев. от английски - М.: Мир, 1965.

Физическо обучение

ПОЛЯРИЗИРАН СВЯТ

Списанието вече е писало за свойствата на поляризираната светлина, домашните полярископи и прозрачните предмети, които започват да блестят с всички цветове на дъгата (вижте „Наука и живот“ №). Нека разгледаме същия проблем с помощта на нови технически устройства.

Като поляризатор (устройство, което създава поляризирана светлина).

Факт е, че самият принцип на работа на LCD монитора се основава на обработка на поляризирана светлина (1). По-подробно описание на работата може да намерите на http://master-tv.com/, а за нашата физическа практика е важно, ако осветим екрана с бяла светлина, например като нарисуваме бял квадрат или фотографираме бял листхартия, ще получим плоско поляризирана светлина, на фона на която ще проведем по-нататъшни експерименти.

Интересно е, че като се вгледаме внимателно в бял екран при голямо увеличение, няма да видим нито една бяла точка (2) - цялото разнообразие от нюанси се получава чрез комбинация от нюанси на червено, зелено и синьо.

Може да е късмет, че нашите очи също използват три вида конуси, които реагират на червени, зелени и сини цветове, така че с правилното съотношение на основните цветове, ние възприемаме тази смес като бяла.

За втората част на полярископа - анализатора - се продават поляризирани очила от Polaroid в магазините за риболов (намаляват отблясъците от водната повърхност) или в автосалоните (премахват отблясъците от стъклените повърхности). Много е лесно да проверите автентичността на такива очила: като завъртите очилата едно спрямо друго, можете почти напълно да блокирате светлината (3).

И накрая, можете да направите анализатор от LCD дисплей от повреден електронен часовник или други продукти с черно-бели екрани (4). С помощта на тези прости устройства можете да видите много интересни неща, а ако поставите анализатора пред обектива на камерата, можете да запазите успешни снимки (5).

Предмет, изработен от абсолютно прозрачна пластмаса - линийка (8), кутия за компактдискове (9) или самият "нулев" диск (вижте снимката на първата страница на корицата) - поставен между LCD екрана и анализатора, придобива цвят на дъгата. Геометрична фигура, изработена от целофан, взета от кутия цигари и поставена върху лист от същия целофан, се оцветява (6). И ако завъртите анализатора на 90 градуса, всички цветове ще се променят на допълнителни - червеното ще стане зелено, жълтото - лилаво, оранжевото - синьо (7).

Причината за това явление е, че материал, който е прозрачен за естествена светлина, всъщност е нехомогенен или, което е същото, анизотропен. Неговите физически свойства, включително показателите на пречупване на различните части на обекта, не са еднакви. Светлинният лъч в него се разделя на две, които се движат с различна скорост и са поляризирани във взаимно перпендикулярни равнини. Интензитетът на поляризираната светлина, резултат от добавянето на две светлинни вълни, няма да се промени. Но анализаторът ще изреже от него две плоскополяризирани вълни, осцилиращи в една и съща равнина, които ще започнат да си интерферират (вж. „Наука и живот” № 1, 2008 г.). Най-малкото изменение на дебелината на плочата или напреженията в нейната дебелина води до поява на разлика в пътя на вълната и поява на цвят.

В поляризирана светлина е много удобно да се изследва разпределението на механичните напрежения в части на машини и механизми, строителни конструкции. Плосък модел на част (греда, опора, лост) е направен от прозрачна пластмаса и върху него е приложено натоварване, симулиращо реалното. Многоцветните ивици, които се появяват в поляризирана светлина, показват слаби места на частта (остър ъгъл, силен завой и т.н.) - напрежението е концентрирано в тях. Чрез промяна на формата на частта постигаме нейната най-голяма здравина.

Не е трудно сами да си направите такова изследване. От органично стъкло (за предпочитане хомогенно) можете да изрежете, да речем, модел на кука (кука за повдигане на товар), да го закачите пред екрана, да го натоварите с тежести с различно тегло върху телени бримки и да наблюдавате как разпределението на напрежението в него се променя.